刚体破碎特效仿真研究

破碎是真实世界中普遍存在的物理现象,刚体破碎仿真也在各领域中被广泛应用.本文分别从基于物理和基于非物理的建模方法产生的不同刚体破碎特效,阐述分析刚体破碎仿真的研究现状,结合当下研究和现存问题给出相关建议,并对下一步的刚体破碎研究做指引.     

实时刚体破碎特效仿真研究

刚体仿真是图形学研究的热点之一,但是单纯依据物理规律进行仿真达不到实时性要求.依据攻击武器的运动轨迹在目标的八叉树结构上抽取空间连续的子块,设计了一种摧毁区域锁定算法;提出一种刚体预破碎模式,采用线性约束连接子块和块内元素,并用统一的算法检测由攻击武器的碰撞引起的约束动态受损情况.线性约束的不同程度破损或导致子块的分裂,或导致块内基础元素的分裂,将形成不同程度的破碎特效.最后设计了实时刚体破碎特效实验方案并构建仿真系统.实验表明,该种模式不仅较好地体现了刚体破碎特效,也简化了刚体破碎仿真的复杂性,相应的破碎特效能够拓展到具有实时性需求的虚拟现实应用环境中.     

多样化实时刚体破碎模拟

目的 现有刚体破碎仿真模拟中,基于物理受力分析的方法往往难以应用在对实时性要求较高的场景中;而基于非物理方法的破碎模拟,破碎效果大多缺乏多样性。为了使得破碎模拟同时满足实时性和破碎效果多样化,提出了一种多样化实时刚体破碎模拟方法。方法 进行破碎模拟时首先由选定的种子点生成类型得到种子点集,采用Sweep Plane算法生成Voronoi图后基于Voronoi图信息对模型进行空间剖分;然后选择破碎时行为模拟方式,对物体破碎时所受外力进行模拟;最后对破碎时碰撞检测及碰撞后碎片的运动过程进行模拟并渲染显示。结果 通过组合不同的种子点生成类型和破碎时行为模拟方式,得到了多样化的刚体破碎效果。对单个刚体进行破碎模拟时,碎片数目不超过200个时帧率可以达到75帧/s,满足实时性的需求;对多个可破碎目标同时存在的复杂场景,破碎仿真模拟的平均帧率可以达到50帧/s,同样满足实时性要求;与现有方法对比的结果也验证了本文方法在计算效率和破碎效果多样性两方面达到了较好的平衡。结论 本文方法在满足实时性要求的同时,丰富了刚体破碎的效果,不同种子点生成类型和破碎时行为模拟方式的组合可以实现破碎效果多样性。     

软体多局部破碎特效研究

基于物理的软体仿真与动画是计算机图形学的研究热点之一,但大多数方法计算复杂度较高,难以获得实时性交互.文中在虚节点算法基础上,提出了一种软体多局部破碎特效行为描述算法,该算法通过判别组成软体物理模型的质点受力、弹簧结构损伤情况,对模型进行局部几何拓扑重构,较好地描述了软体局部破碎行为.此外,在闭合压力模型理论基础上,结合质点弹簧系统,实现了一个实时交互的软体仿真平台.实验证明,整个软体仿真及多局部破碎特效过程可以获得稳定、实时交互、具有物理真实感的效果.     

基于Voronoi图的实时刚体破碎模拟

为了实现具有较强物理真实感的刚体破碎实时模拟,提出了一种基于预计算和Voronoi图的刚体破碎模拟方法.首先分析脆性刚体材料破碎过程,得到拟合性较好的正态分布种子点,在此基础上采用脱机增量算法和格雷厄姆凸包生成算法,生成刚体破碎的Voronoi多边形;然后根据能量守恒方程和材料力学分析,计算破碎区和裂纹区的半径,并根据碰撞过程中的能量转换约束条件推导出破碎后的碎片速度;最后计算碎片间的碰撞检测以及碰撞后的速度、姿态等,得到碎片的运动状态.实验结果表明,该方法不仅可以满足游戏、仿真中交互的实时性需求,同时碎片的产生以及运动符合物理规律,具有较强的真实感.     

SPH固流交互中的实时固体破碎动画模拟

目的 针对固流交互中的固体破碎现象模拟研究较少、物理模型复杂、多求解器耦合性差、真实感与实时性难以兼顾等问题,提出一种适用于光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）固流交互统一粒子框架的实时固体破碎模拟方法。方法 首先,结合断裂力学理论与统一粒子框架下固体边界粒子的空间和物理特性,构建基于物理的能量分析模型。然后,通过实时分析固体与流体之间的能量转化和自身能量平衡,将满足条件的粒子作为破碎发生的启发点。最后,采用基于几何的碎块生成方法,将启发点集作为种子点构建Voronoi图,完成碎块的生成。为确保模拟系统实时性,将模拟系统进行并行优化并加载至图形处理器（graphics processing unit,GPU）并行执行。结果 通过在不同复杂度和粒子规模的实验场景中进行模拟得到的结果表明,本文方法能够稳定地模拟固体受到流体冲击后发生的破碎现象,破碎细节真实感良好,在百万级粒子规模下能够满足实时性要求,可大规模并行执行且GPU加速效果显著,加速收益随场景规模增大而增大。结论 与现有研究相比,本文方法充分结合物理与几何方法的优点,与SPH统一粒子框架具有更高的耦合性,能够稳定地模拟固流交互中的固体破碎现象,细节符合现实世界物理规律,真实感渲染效果良好,可应用于洪涝、海啸、溃坝和泥石流等自然灾害的交互式预演、电子游戏特效等领域。     

破碎刚体三角网格模型的断裂面分割

针对基于断裂面匹配的破碎刚体复原,提出了一种分割断裂面的方法。首先,根据相邻三角片法矢的夹角,将碎块外表面以棱边为界限分割成多张曲面;然后,根据曲面法矢的扰动大小和扰动图像,经过二次分割,将曲面区分为原始面和断裂面。实验结果表明,所提方法能够正确快速地提取出形状较复杂碎块的断裂面。     

断裂面匹配的破碎刚体复原

提出一种根据断裂面匹配进行破碎刚体复原的算法。首先根据积分不变量采用简单区域生长算法,将碎块表面以棱边为界限分割成多张曲面,根据法矢扰动区分出断裂面和原始面;然后根据断裂面顶点的平均积分不变量是否相近和邻域曲面是否相似,获得少量特征显著的相似点对,其中采用基于相容性约束的方法判断邻域曲面的相似性;之后采用引入三角形相似约束的穷举搜索的方法和投票机制进行断裂面的匹配;最后使用基于回溯的子图融合的方法进行碎块的整体拼合。实验结果表明,该算法能够对较复杂的碎块进行准确的拼接复原。     

基于离散元法与正交试验的齿板破碎力研究

研究颚式破碎机齿板齿形对破碎力的影响与齿形参数择优问题.破碎力直接影响破碎机的碎矿功率与企业的经济效益,获得齿形对破碎力的影响规律进而得到最优齿形成为重要课题,以往的研究未将齿形参数多因素协同考虑.为解决上述问题,提出离散元法,采用Hertz-Mindlin黏结接触模型,结合正交试验设计进行数值仿真,获得齿形参数多因素对破碎力的综合影响规律,对仿真结果进行直观分析和方差分析,获得最优齿形参数组合.仿真结果表明,齿底宽是影响破碎力的主要因素,其次是齿距与齿形角,以优化的齿形齿板进行仿真,其破碎力低于正交试验的最小破碎力,为颚式破碎机的设计、改造提供了方法借鉴和数据参考.     

基于碰撞响应的三维空间多刚体实时运动仿真

该文将计算机科学与理论力学相结合,以刚性球体为例介绍了多刚体物理运动仿真的步骤和方法。首先论述了单个及多个刚体的运动仿真步骤以及应用叠加原理计算合力及合力矩的方法。然后,针对刚体运动中的不同碰撞响应类型：碰撞接触与临时接触,提出分别建立不同的碰撞响应力学模型,前者采用动量及动量矩定理建立响应模型,后者通过分析刚体的受力和运动状态建立相应的动力学模型。最后,详细讨论了刚性球体的碰撞仿真,包括它的碰撞测定、碰撞响应模型的建立及求解等,实现了三维空间中刚性球体实时、精确、快速的运动仿真,为以后多刚体大规模仿真奠定基础。     

基于Unity物理引擎的多旋翼无人机仿真模型

本文主要基于Unity物理引擎,以四旋翼无人机作为研究对象,通过建立无人机运行模式的数学模型,进行仿真模型研究.一方面,通过将无人机受力模型直接应用在电机对应位置,来仿真现实物体的受力状态,从而免去了对模型的刚体数学建模,简化了仿真建模过程;另一方面,通过分析无人机运动原理,对无人机进行动力系统和控制系统建模,其中控制系统采用串级PID控制算法进行姿态控制;本文最后,通过飞行实验和测试验证了无人机模型的稳定性、有效性,满足了四旋翼无人机的仿真要求.     

基于Murkowski距离连续的非刚体三维运动恢复算法研究

现有的非刚体三维运动重建算法很难根据不同的场景、不同的非刚体来寻找不同的形状基,这种情况对重建 过程产生了很大的影响,造成模型失真。为了解决这一问题,提出一种基于Murkowski距离连续的非刚体三维运动 恢复算法,该算法根据在高速分解的图像序列中帧与帧之间的运动参数与特征点位移变化都呈现连续平缓的物理特 性,在Murkowski距离约束的情况下,将运动结构参数通过非线性优化的方法来进行求解,最终得到非刚体的三维运 动结构,并且通过仿真实验,验证了它的可行。     

基于UM的磁浮列车-轨道梁耦合振动仿真程序开发

基于大型通用多体动力学仿真分析平台Universal Mechanism(UM),开发用于磁浮列车 轨道梁耦合振动仿真的专用程序UM Maglev,其中：磁浮列车设置为多刚体模型,弹簧和阻尼器的刚度和阻尼视为线性或非线性力元;轨道梁设置为三维铁木辛柯梁模型,或从外部有限元软件导入模态分析结果;轨道线路包含平面和纵断面曲线、超高和轨面随机不平顺;悬浮和导向系统控制采用PID模型;多体动力学系统微分 代数方程求解采用Park刚性稳定法。该程序可用于考察磁浮列车的曲线通过性能、运行平稳性和乘坐舒适度,研究悬浮/导向气隙与磁浮控制系统参数优化,分析轨道梁在动态电磁力作用下的振动响应。     

麦弗逊前悬架的刚柔耦合模型仿真及优化分析

在Adams/Car环境中建立某车麦弗逊前悬架的多刚体模型和刚柔耦合模型,分别对其进行双轮同向激振仿真,分析车轮定位参数的变化规律. 结果证明刚柔耦合模型和多刚体模型分析结果基本一致.针对车轮定位参数变化规律的不合理性,利用Adams/Insight对悬架部分硬点进行灵敏度分析并优化硬点坐标,使车轮定位参数在一定的范围内变化,改善悬架的性能.     

混凝土水力劈裂的数值模拟

针对混凝土坝越来越高,越来越容易产生水力劈裂的问题,总结已有混凝土水力劈裂问题的研究成果,结合水力劈裂的发生条件、在水压作用下混凝土裂缝的开展以及影响水力劈裂作用的因素,探讨水力劈裂数值模拟的方法.比较有限元法、扩展有限元法和无单元法在水力劈裂数值模拟问题应用上的优点与不足,并分析数值模拟模型建立过程中参数设置的差别.结果表明,必须从坝材料、施工和水压等多方面考虑才能确保水力劈裂数值模拟结果的可靠性.     

基于Lagrange法的刚体与柔体动力学对比研究

对于机器人、航天器和车辆悬架部件等一些多体系统来说,其中一些部件的大尺寸、轻型化趋势使得传统的刚性体建模已经难以准确地模拟实际的工况,将部件所具有的柔性特性加入到多体系统模型中进行柔体动力学仿真,由于考虑了部件弹性变形与大范围刚性运动之间的耦合,故可以得到部件更为真实的动力学行为.文中通过与基于Lagrange法的刚体动力学基本方程进行对比研究,详细说明了柔体动力学方程中上述的耦合作用.以某大型雷达可展开天线为例,分别在刚体和柔体的假设下对其展开运动进行动力学仿真,结果表明采用柔性体仿真更能真实反映其动力学特性.     

基于柔性轮对的轨道车辆动力学仿真分析

为研究柔性轮对对轨道车辆动力学性能的影响,应用ANSYS创建轮对实体有限元分析模型,并选用Guyan缩减法和Lanczos分块法对其进行子结构模态分析.联合SIMPACK创建柔性轮对车辆仿真模型,此模型的构架、车体等部件仍视作刚性体.与刚体车辆仿真模型对比分析出在中国高铁谱和美国六级谱激励作用下两模型的动力学性能的差异.分析结果表明:轮对采用柔性体的车辆非线性临界速度较全刚体车辆的非线性临界速度稍稍降低.在两激励线路下,轮对采用柔性体对车辆的平稳性和曲线通过性能也有一定程度的影响.     

高射频步枪参数对枪口响应影响的分析

建立具有13刚体和31自由度的被动态人-枪相互作用模型,采用弹簧-阻尼方法进行肌肉模拟,利用逆向动力学方法确定各关节上的初始驱动力.考虑设计参数间的相互耦合影响,分析射频、缓冲簧刚度和预压力以及缓冲行程等参数对枪口响应的影响.基于多体系统动力学模型进行参数的灵敏度分析和优化.分析结果表明:射频增加对于3发点射情况下的枪口精度是有利的;对于第3发以后的射击,只有枪械缓冲装置与人体系统的合理匹配才能有效减小人体被动态下枪口的跳动位移.     

Global asymptotic stabilization of the attitude and the angular rates of an underactuated non-symmetric rigid body

The paper deals with the global stabilization of both the attitude and the angular velocities of an underactuated rigid body. First a stability theorem is proven for a class of systems; subsequently, the equations describing the physics of the rigid body are presented, showing that the rigid body belongs to the considered class of systems, and a sufficient condition for the application of the theorem to the stability of the rigid body equilibrium is pointed out. Finally, some simulation results are reported showing the effectiveness of the proposed methodology.